微服務(wù)在智慧高速公路收費(fèi)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

文｜福建省三明高速公路有限公司 陽(yáng)盛慶

1.福建省高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)現(xiàn)狀

截止2021年為止，福建省在全國(guó)聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)建設(shè)運(yùn)營(yíng)工作取得了突出成就。各項(xiàng)指標(biāo)名列前茅。全省一共建立了929 套ETC 門架系統(tǒng)、1626 條收費(fèi)站ETC 車道改造以及321 出入口稱重檢測(cè)系統(tǒng)，ETC 車道覆蓋率達(dá) 100%，各項(xiàng)工作排名全國(guó)前列。同時(shí)也建立了完善的路網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。整個(gè)福建省共安裝了2.3 萬(wàn)多套攝像機(jī)、62套一類交調(diào)站、573 套車輛檢測(cè)器。60 個(gè)交通氣象自動(dòng)觀測(cè)站點(diǎn)、4 套“交通安全預(yù)警系統(tǒng)”搭建路網(wǎng)管理可視化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)營(yíng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信息資源跨部門、跨區(qū)域的有效聯(lián)系。

福建省高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)在經(jīng)歷人工收費(fèi)、半自動(dòng)收費(fèi)以及全國(guó)一張網(wǎng)收費(fèi)三個(gè)階段后，正處于以ETC 收費(fèi)系統(tǒng)為主的全國(guó)聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)階段。雖然建立了比較完善的收費(fèi)系統(tǒng)，但仍然存在著一定問題，具體現(xiàn)狀如下：

1.1 收費(fèi)系統(tǒng)架構(gòu)契合度較高

在福建省高速公路系統(tǒng)架構(gòu)中，包括核心收費(fèi)模塊、收費(fèi)應(yīng)用模塊以及聯(lián)網(wǎng)搜查模塊等多種系統(tǒng)功能，這些系統(tǒng)功能雖然能夠豐富收費(fèi)系統(tǒng)的內(nèi)容，使收費(fèi)系統(tǒng)處于合理的管轄下，但這些功能模塊在同一個(gè)體系架構(gòu)內(nèi)，起到了互相牽制以及影響的效果，使得收費(fèi)系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯比較復(fù)雜，影響了整體的收費(fèi)效率。

1.2 收費(fèi)系統(tǒng)本地化部署

目前福建省高速公路收費(fèi)系統(tǒng)中計(jì)費(fèi)模塊完全集成于車道軟件中，主要被內(nèi)部的函數(shù)所調(diào)用。而收費(fèi)系統(tǒng)在信息技術(shù)發(fā)展的影響下，處于不斷的升級(jí)當(dāng)中，增加了各種新的功能，因此需要投入的資源成本越來(lái)越多，系統(tǒng)部署工作也比較復(fù)雜，出現(xiàn)了成本較高、運(yùn)營(yíng)管理難度較大的問題[1]。

1.3 系統(tǒng)集成商數(shù)量較多，管理難度較大

目前在福建省高速公路路網(wǎng)中，存在多個(gè)系統(tǒng)集成商，并且每個(gè)集成商有著獨(dú)立的計(jì)費(fèi)方式以及收費(fèi)流程，導(dǎo)致出現(xiàn)管理復(fù)雜，對(duì)同一功能需求理解不統(tǒng)一從而產(chǎn)生收費(fèi)異常的現(xiàn)象，不僅提高了建設(shè)周期，同時(shí)也增加了運(yùn)營(yíng)成本。

1.4 收費(fèi)系統(tǒng)架構(gòu)主要以C/S 為主

由于注重集中式的軟件服務(wù)體系，使得現(xiàn)有的收費(fèi)系統(tǒng)無(wú)法對(duì)信息集成技術(shù)進(jìn)行有效應(yīng)用，嚴(yán)重制約了全省高速公路收費(fèi)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化以及信息化的發(fā)展的方向，同時(shí)也直接影響著高速公路“營(yíng)改增，精確路徑”等項(xiàng)目的設(shè)計(jì)[2]。

2.微服務(wù)架構(gòu)特點(diǎn)與基本類型

2.1 微服務(wù)架構(gòu)特點(diǎn)

目前在高速公路收費(fèi)系統(tǒng)中，對(duì)于微服務(wù)的應(yīng)用處于初級(jí)階段，同時(shí)對(duì)微服務(wù)還沒有形成統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)的定位。一般來(lái)講微服務(wù)架構(gòu)屬于一種架構(gòu)模式，其主要目的是將軟件中各種單一的應(yīng)用程序直接劃分成不同的服務(wù)功能，并且每一個(gè)服務(wù)功能都有著不同的內(nèi)容，有著獨(dú)立的進(jìn)程，彼此之間起到相互配合、協(xié)調(diào)的作用。另外各個(gè)服務(wù)功能之間采用著輕量級(jí)的通信機(jī)制，以便進(jìn)行更好的溝通。在HTTP 中的RESTFUL APL 系統(tǒng)軟件的影響下，不同服務(wù)模塊之間需要圍繞著具體業(yè)務(wù)內(nèi)容進(jìn)行構(gòu)建，才能更好的應(yīng)用到高速公路收費(fèi)系統(tǒng)中。最后在對(duì)收費(fèi)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，盡量避免出現(xiàn)統(tǒng)一集中的服務(wù)管理機(jī)制，防止降低信息處理的效率。結(jié)合高速公路收費(fèi)系統(tǒng)的實(shí)際情況，選擇更加合適的功能內(nèi)容，然后采用不同的軟件系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建，或者使用輕量級(jí)的集中式管理去協(xié)調(diào)這些服務(wù)功能，具體特點(diǎn)內(nèi)容如圖1所示。

圖1 微服務(wù)架構(gòu)特點(diǎn)圖

從圖中可以看出，微服務(wù)在小服務(wù)范圍中并沒有特定的標(biāo)準(zhǔn)以及規(guī)范，但是各個(gè)服務(wù)內(nèi)容在總體規(guī)模上一定最小，為了保證進(jìn)程能夠獨(dú)立，要求每個(gè)服務(wù)內(nèi)容都是獨(dú)立運(yùn)行的，并且通過進(jìn)程方式，不斷橫向擴(kuò)展整個(gè)服務(wù)內(nèi)容。以往的系統(tǒng)軟件會(huì)經(jīng)?？紤]到各種各樣的依賴關(guān)系，而微服務(wù)架構(gòu)的應(yīng)用更加重視系統(tǒng)業(yè)務(wù)的邏輯開發(fā)。另外最重要一點(diǎn)微服務(wù)架構(gòu)模式的應(yīng)用更加體現(xiàn)出無(wú)集中式管理的特點(diǎn)，以往軟件功能中的企業(yè)級(jí)SOA 服務(wù)功能模塊較大，不容易進(jìn)行統(tǒng)一管理，并且開發(fā)成本相對(duì)較高。微服務(wù)的應(yīng)用可以讓各種信息技術(shù)得到有效利用，不同服務(wù)功能可以根據(jù)不同地區(qū)的需要，去選擇更加合適的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)其業(yè)務(wù)邏輯。由于不同服務(wù)分配到多個(gè)不同的獨(dú)立進(jìn)程執(zhí)行，因此對(duì)集中管理服務(wù)的應(yīng)用意義不大，只需要提供好各個(gè)服務(wù)模塊的監(jiān)控即可[3]。

2.2 微服務(wù)選擇類型

實(shí)現(xiàn)微服務(wù)的軟件架構(gòu)有許多種，其中最為常見的為Spring Cloud 平臺(tái)，Spring Cloud 主要為分布式系統(tǒng)，能夠?yàn)槲⒎?wù)提供更加簡(jiǎn)單的編程模型，操作性上更加簡(jiǎn)單，可以直接幫助技術(shù)人員建立起有效的應(yīng)用程序，為后續(xù)工作開展打下良好基礎(chǔ)。Spring Cloud 主要由服務(wù)注冊(cè)中心集群、配置中心集群以及服務(wù)提供方集群所組成，服務(wù)注冊(cè)中心集群一般是對(duì)來(lái)往車輛進(jìn)行注冊(cè)，配置中心集群主要對(duì)車輛信息進(jìn)行配置，而服務(wù)提供方集群主要為各類服務(wù)提供實(shí)例。

3.微服務(wù)在高速公路收費(fèi)系統(tǒng)中的具體應(yīng)用

3.1 微服務(wù)在高速公路收費(fèi)系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)

（1）提高對(duì)復(fù)雜程度的控制

通過對(duì)微服務(wù)架構(gòu)的應(yīng)用，在很大程度上解決了高速公路收費(fèi)比較復(fù)雜的現(xiàn)象，將收費(fèi)系統(tǒng)中的整體應(yīng)用程序分解成不同的服務(wù)功能，雖然整體的功能數(shù)量以及內(nèi)容保持不變，但應(yīng)用程序已經(jīng)被劃分不同的管理模塊和服務(wù)模塊，并且每一個(gè)服務(wù)模塊都通過RPC 以及API 的形式進(jìn)行固定，形成了一種明確的邊界，將整個(gè)收費(fèi)系統(tǒng)的整體復(fù)雜程度進(jìn)行降低[4]。

（2）獨(dú)立性較強(qiáng)

在整個(gè)微服務(wù)架構(gòu)中，每個(gè)服務(wù)功能都能夠進(jìn)行獨(dú)立開發(fā)，同時(shí)技術(shù)人員可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際狀況，對(duì)任何有用的技術(shù)進(jìn)行合適選擇，只要保證該服務(wù)類型能夠符合API 技術(shù)的規(guī)則要求即可。

（3）技術(shù)性更加靈活

微服務(wù)之間的耦合程度較低，需根據(jù)不同的特點(diǎn)，選用最合適的技術(shù)，技術(shù)人員可以使用當(dāng)前先進(jìn)的技術(shù)手段，保持良好的固定性，并且在技術(shù)類型選擇方面也更加的靈活。

（4）實(shí)用性更強(qiáng)

微服務(wù)架構(gòu)模式的應(yīng)用可以使系統(tǒng)中的各個(gè)模塊獨(dú)立進(jìn)行擴(kuò)展，根據(jù)不同服務(wù)功能模塊的實(shí)際規(guī)模進(jìn)行重新配置，然后再滿足不同需求的規(guī)模?；蛘呖梢允褂酶舆m合于服務(wù)資源需求的硬件設(shè)備，為系統(tǒng)功能的提升創(chuàng)造良好條件。

3.2 高速公路收費(fèi)系統(tǒng)的總體架構(gòu)

通常高速公路收費(fèi)系統(tǒng)基本構(gòu)架如圖2所示。

圖2 高速公路收費(fèi)系統(tǒng)基本架構(gòu)

從圖中可以看出，網(wǎng)絡(luò)傳輸速度在滿足最基本要求的前提下，并且保證傳輸速度足夠穩(wěn)定，就能夠?qū)⒍嗉?jí)系統(tǒng)直接轉(zhuǎn)化成云中心以及車道兩級(jí)系統(tǒng)。為了進(jìn)一步解決車道系統(tǒng)可能存在計(jì)算壓力過大的現(xiàn)象，在保證信息充足的情況下，技術(shù)人員需要將所有車輛路徑以及收費(fèi)費(fèi)率進(jìn)行推算，使車道系統(tǒng)能夠一直保持著較為復(fù)雜的計(jì)算功能，然后再輸送到中心端去完成。當(dāng)車道系統(tǒng)需要利用該功能時(shí)，便會(huì)迅速對(duì)信息數(shù)據(jù)展開查詢，在取得最終結(jié)果后進(jìn)行交易。

一般情況下大部分?jǐn)?shù)據(jù)信息會(huì)直接儲(chǔ)存在車輛ETC 卡中，利用車道系統(tǒng)完成本地的處理。由于行駛的車輛較多，導(dǎo)致每天的交易數(shù)量較大，車輛在行駛的過程中又會(huì)和當(dāng)?shù)囟鄠€(gè)門架進(jìn)行交互，因此有相當(dāng)一部分?jǐn)?shù)量的交易信息不夠完整，從而無(wú)法完成對(duì)車道的計(jì)算，因此在這種環(huán)境下必須通過云計(jì)算服務(wù)的形式進(jìn)行查詢，以保證信息的完整程度。

通過對(duì)云計(jì)算服務(wù)的應(yīng)用，可以根據(jù)車道系統(tǒng)所上傳的ETC 卡信息，去尋找近一段時(shí)間內(nèi)所有相同卡號(hào)以及車牌相同的行車記錄，通過一定的排列組合關(guān)系去模擬出不同車輛的行車路徑，然后再?gòu)馁M(fèi)率表中去仔細(xì)查詢所收取的金額，在去尋找其他的數(shù)據(jù)信息，最終計(jì)算出收費(fèi)記過。

3.3 微服務(wù)在高速公路收費(fèi)系統(tǒng)中的具體設(shè)計(jì)

（1）路徑擬合功能設(shè)計(jì)

路徑擬合功能設(shè)計(jì)主要有兩種不同計(jì)算方案，首先是根據(jù)門架的連接關(guān)系進(jìn)行算法擬合。利用收費(fèi)系統(tǒng)中的計(jì)算功能模塊對(duì)車輛的入口信息進(jìn)行收集，然后計(jì)算出車輛前一門架到當(dāng)前門架經(jīng)過的路徑信息。如果存在門架丟失的現(xiàn)象，需要根據(jù)門架之間的連接關(guān)系進(jìn)行路徑還原，保證整個(gè)計(jì)算過程能夠順利進(jìn)行。在計(jì)算出每個(gè)車輛的最優(yōu)路徑后，需要儲(chǔ)存到系統(tǒng)當(dāng)中，在計(jì)算費(fèi)用時(shí)需要判斷前一個(gè)門架和當(dāng)前門架之間是否存在遺漏的現(xiàn)象，如果不存在遺漏的現(xiàn)象，則可以直接進(jìn)行計(jì)算。利用門架連接關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，能夠及時(shí)處理封閉路段、特殊路段的交通信息。

其次是利用計(jì)費(fèi)表進(jìn)行擬合，利用現(xiàn)有的計(jì)費(fèi)表提前增加當(dāng)前門架和前三個(gè)門架之間的關(guān)系，以此確認(rèn)門架是否存在遺漏現(xiàn)象，如果存在遺漏現(xiàn)象則要立即進(jìn)行補(bǔ)充，防止出現(xiàn)交易金額缺失的現(xiàn)象。利用計(jì)算變量進(jìn)行算法擬合，最大優(yōu)點(diǎn)就是使用更加方便，對(duì)于模塊算法不需要做出過多的調(diào)整，但是在面對(duì)反向標(biāo)識(shí)、樞紐標(biāo)識(shí)等異常現(xiàn)象時(shí)，門架關(guān)系表的生成需要進(jìn)行反復(fù)測(cè)試，以此來(lái)保證關(guān)系表的準(zhǔn)確程度。

（2）基礎(chǔ)支撐算法設(shè)計(jì)

基礎(chǔ)支撐算法設(shè)計(jì)需要對(duì)圖形結(jié)構(gòu)有著一定了解與掌握，在圖形結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上對(duì)車輛通行費(fèi)用進(jìn)行快速處理，在保證路徑還原以及處理計(jì)算的過程中，面對(duì)車輛最佳路徑的選擇，一般是通過對(duì)廣度優(yōu)先搜索算法的應(yīng)用，得到車輛的最佳路徑。比較常用的是Floyd算法以及Dijlkstra算法，Dijlkstra 算法一般都是選擇車輛里程中的最小節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理，從而產(chǎn)生最優(yōu)的路徑解。Floyd 算法通常應(yīng)用于路徑擬合的過程中，并需要反復(fù)的進(jìn)行使用，以收費(fèi)站、門架作為頂點(diǎn)，計(jì)算得出收費(fèi)站與門架、門架與門架之間的最佳路徑。

4.結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文結(jié)合福建省高速公路收費(fèi)系統(tǒng)，對(duì)微服務(wù)在智慧高速公路收費(fèi)系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行分析，現(xiàn)如今在高速公路運(yùn)營(yíng)服務(wù)的發(fā)展過程中，最為關(guān)鍵的是高速公路收費(fèi)系統(tǒng)的完善，并要保證收費(fèi)系統(tǒng)的精確化程度。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，高速公路手段未來(lái)將和金融服務(wù)系統(tǒng)保持一致，提供實(shí)時(shí)收費(fèi)服務(wù)，從而更加方便人們的出行。